Soutenance de thèse de Timothée ROBERTS

Le travail de cette thèse est né suite aux résultats récents que 77% des patients amputés du membre supérieur ont un membre fantôme mobile. Ces patients déclarent pouvoir faire divers mouvements volontaires avec leur main fantôme. De façon intéressante, cette mobilité fantôme est systématiquement associée à des activités musculaires au niveau du membre résiduel (moignon) qui sont spécifiques au type de mouvement exécuté. L’équipe de chercheurs dans laquelle ce présent travail est faite a montré que ces contractions musculaires peuvent être utilisées pour le contrôle de prothèses, qui devient alors naturel. Cependant, (1) ce contrôle « basé fantôme » est pour l’instant validé en contexte de laboratoire, et (2) les phénomènes entourant les membres fantômes sont encore mal compris, notamment son origine neurophysiologique. Ce travail de thèse CIFRE a visé à élaborer des matrices d'électrodes fines afin de détecter les activités musculaires associées aux mouvements fantômes pour (1) les incorporer dans l’emboiture de la prothèse afin de pouvoir faire des tests avec des prothèses portées, et (2) d’explorer les présumées réorganisations neuromusculaires au niveau du membre résiduel. Ces objectifs ont amené à développer des électrodes fines et sèches sur divers supports : le Kapton en tant que matériau fin, souple et solide, le papier en tant que potentiel électrode jetable et peu onéreuse, le textile pour sa souplesse et son utilisation apprécié dans l’emboiture des prothèses et le tattoo temporaire pour sa capacité à épouser parfaitement les aspérités de la peau. Cette étude exhaustive de supports a été permise par l’utilisation couplée d’un polymère conducteur apprécié dans la littérature actuel, le PEDOT :PSS, pour la fabrication d’électrodes et d’une méthode de fabrication par jet de matière. Les électrodes sèches ont été caractérisées et comparées à un standard sur le marché, des électrodes Ag/AgCl avec un gel conducteur liquide. Une matrice d’électrodes sèches et fines a ainsi été créée donnant enfin la possibilité d’étudier son incorporation dans le manchon de prothèses ainsi que la localisation des zones d’innervation. Ce dernier point a nécessité l’étude de diverses méthodes d’analyses des signaux électromyographiques connues dans la littérature, telles que le calcul du « root mean square », du « mean power frequency », de la « cross-correlation », et, enfin, de l’utilisation d’un l’algorithme proposé par Horn et Schunk (1981). Pour conclure, ces travaux ont permis de diversifier les techniques et matériaux de création d’électrodes sèches et permettront enfin les tests de contrôle basé « mouvement fantôme » de prothèses myoélectriques portées, ainsi que l’étude la réorganisation des jonctions neuromusculaires du membre résiduel après amputation du membre supérieur.

The present work has its origin in recent results showing that 77% of upper limb amputees declare having phantom limb mobility. These patients are able to make different types of voluntary movements with their phantom hand. Interestingly, this phantom mobility is associated to residual muscle activity in stump of which the pattern is systematically varying with the type of executed movements. The team conducting this project was able to develop a method of controlling myoelectric prostheses based on these muscle contractions, which makes the control much more natural and potentially increases the number of degrees of freedom. However, (1) this phantom-based mode of control is only validated in a laboratory setup without actually wearing the prosthesis on the residual limb, and (2) while it seems possible to use phantom mobility, we are still far from understanding it’s neurophysiological origin. The present work aimed to develop matrices of thin dry electrodes in order to (1) allow the creation of an embedded prosthesis with phantom-mobility-based control, and (2) explore the possible reorganization of motor endplates in the residual limb. These goals leaded to the fabrication of electrodes on multiple substrates. Kapton was investigated as a substrate for its robustness while staying very flexible and thin, and paper for its potential as cheap disposable electrodes. Textile was explored for its flexibility and its use in the prosthesis sleeve and in embedded healthcare devices in general. Finally, temporary tattoos were tested as a potential substrate for the smooth contact it provides with the skin and its potential to use it in patch creation. The possibility to work on such different substrates was permitted by a biocompatible conducting polymer, PEDOT:PSS, used for the fabrication of the electrodes, and the use of inkjet printing technology. The dry electrodes were characterized and compared to wet Ag/AgCl electrodes (containing conducting gel) commonly used in electrophysiological recordings. So, at the end, a matrix of thin and dry electrodes was created with the substrate Kapton, making it possible to study both its incorporation in the prosthesis sleeve and the localization of innervation zones of the residual muscles of upper limb amputees. For the latter, algorithms for the detection of innervations zones, developed in the literature, have been studied with help of a recording with classical electrodes placed on an intact arm. The signals were analyzed using root mean square, mean power frequency and cross-correlation based algorithms, as well as another promising method proposed by Horn and Schunk (1981). In conclusion, the present thesis contributed to the diversification of technics and materials used for the creation of dry electrodes, and now opens the study of reorganization of innervation zones in residual limb muscles after upper limb amputation.